(57)【要約】  不純物として揮発性芳香族化合物を含み、且つ主成分として水素またはヘリウムを含む原料ガスから、吸着剤が充填された吸着塔（１０Ａ〜１０Ｃ）を用いて行うＰＳＡ法により、水素またはヘリウムを精製する方法は、吸着塔（１０Ａ〜１０Ｃ）の各々について、吸着工程、減圧工程、脱着工程、および洗浄工程を含むサイクルを繰り返し行う。各吸着塔（１０Ａ〜１０Ｃ）は、吸着塔における原料ガスの流れ方向において上流側から下流側に向けて順に第１領域、第２領域および第３領域に区分されている。第１領域には、吸着剤の充填容量全体に対し、充填比率が１５〜７５ｖｏｌ％のシリカゲル系の第１吸着剤１３１が充填されている。第２領域には、充填比率が１５〜７５ｖｏｌ％のゼオライト系の第２吸着剤１３２が充填されている。第３領域には、充填比率が５〜３０ｖｏｌ％の活性炭系の第３吸着剤１３３が充填されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着剤が充填された３塔以上の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着法のサイクルを各吸着塔について繰り返すことにより、不純物として揮発性芳香族化合物を含み、且つ主成分として水素またはヘリウムを含む原料ガスから水素またはヘリウムを精製するための方法であって、前記サイクルは、
上記吸着塔が所定の高圧である状態にて、上記吸着塔に上記原料ガスを導入して当該原料ガス中の上記揮発性芳香族化合物を上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から水素またはヘリウムの濃度が高い製品ガスを排出する吸着工程と、
上記吸着工程を終えた上記吸着塔から塔内に残留するガスを排出して塔内の圧力を低下させる減圧工程と、
上記減圧工程を終えた上記吸着塔における上記吸着剤から上記揮発性芳香族化合物を脱着させ、塔内ガスを排出する脱着工程と、
上記減圧工程にある他の吸着塔から排出されたガスを上記脱着工程を終えた上記吸着塔に導入して塔内に残留するガスを排出する洗浄工程と、を含んでおり、
上記各吸着塔は、上記吸着塔における上記原料ガスの流れ方向において上流側から下流側に向けて順に第１領域、第２領域および第３領域に区分されており、上記第１領域には、上記吸着剤の充填容量全体に対し、充填比率が１５〜７５ｖｏｌ％の範囲であるシリカゲル系の第１吸着剤が充填されており、上記第２領域には、充填比率が１５〜７５ｖｏｌ％の範囲であるゼオライト系の第２吸着剤が充填されており、上記第３領域には、充填比率が５〜３０ｖｏｌ％の範囲である活性炭系の第３吸着剤が充填されている、水素またはヘリウムの精製方法。
【請求項２】
上記第１吸着剤は、親水性シリカゲルを含む、請求項１に記載の精製方法。
【請求項３】
上記第２吸着剤は、ＣａＡ型ゼオライトを含む、請求項１に記載の精製方法。
【請求項４】
上記第３吸着剤は、椰子殻活性炭または石炭活性炭を含む、請求項１に記載の精製方法。
【請求項５】
上記洗浄工程と上記吸着工程との間に上記吸着塔の圧力を所定の吸着圧力まで高めるための昇圧工程をさらに含む、請求項１に記載の精製方法。
【請求項６】
上記減圧工程は、上記吸着塔から排出された残留ガスを上記洗浄工程にある他の吸着塔に洗浄ガスとして導入する第１減圧ステップと、当該第１減圧ステップに引き続いて、上記吸着塔から排出された残留ガスを上記昇圧工程にある他の吸着塔に導入する第２減圧ステップと、を含む、請求項５に記載の精製方法。
【請求項７】
上記昇圧工程は、上記第１減圧ステップにある他の吸着塔から排出された残留ガスを上記吸着塔に導入する第１昇圧ステップと、当該第１昇圧ステップに引き続いて、上記吸着工程にある他の吸着塔からの製品ガスの一部を上記吸着塔に導入する第２昇圧ステップと、を含む、請求項６に記載の精製方法。
【請求項８】
不純物として揮発性芳香族化合物を含み、且つ主成分として水素またはヘリウムを含む原料ガスから水素またはヘリウムを精製するための装置であって、
各々が第１ガス通過口および第２ガス通過口を有し、当該第１および第２ガス通過口の間において吸着剤が充填された３塔以上の吸着塔と、
製品ガスを貯留するための貯留タンクと、
上記吸着塔の上記第１ガス通過口から排出されるガスを気相成分と液相成分とに分離する気液分離手段と、
原料ガス供給源に接続された主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第１ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が各々に設けられた複数の分枝路、を有する第１ラインと、
上記気液分離手段が設けられた主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第１ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が各々に設けられた複数の分枝路、を有する第２ラインと、
上記貯留タンクが設けられた主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第２ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が各々に設けられた複数の分枝路、を有する第３ラインと、
上記第３ラインにおける上記主幹路に接続された主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第２ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が各々に設けられた複数の分枝路、を有する第４ラインと、
上記第４ラインにおける上記主幹路に接続された主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第２ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が各々に設けられた複数の分枝路、を有する第５ラインと、を備え、
上記各吸着塔は、上記吸着塔における上記第１ガス通過口から上記第２ガス通過口に向けて順に第１領域、第２領域および第３領域に区分されており、上記第１領域には、上記吸着剤の充填容量全体に対し、充填比率が１５〜７５ｖｏｌ％の範囲であるシリカゲル系の第１吸着剤が充填されており、上記第２領域には、充填比率が１５〜７５ｖｏｌ％の範囲であるゼオライト系の第２吸着剤が充填されており、上記第３領域には、充填比率が５〜３０ｖｏｌ％の範囲である活性炭系の第３吸着剤が充填されている、水素またはヘリウムの精製装置。
【請求項９】
上記第１吸着剤は、親水性シリカゲルよりなる、請求項８に記載の精製装置。
【請求項１０】
上記第２吸着剤は、ＣａＡ型ゼオライトを含む、請求項８に記載の精製装置。
【請求項１１】
上記第３吸着剤は、椰子殻活性炭または石炭活性炭を含む、請求項８に記載の精製装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧力変動吸着法を利用して水素またはヘリウムを精製するための方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
公害防止の観点から、廃棄ガスとして放出されるガス中の揮発性芳香族化合物の濃度は低濃度になるよう規制されている。例えば、トルエンを不純物として含むガスの場合、ある地域では地上到達点濃度が０．７ｖｏｌｐｐｍ以下に定められている。そのような規制に対応するための廃棄ガスの処理方法としては、吸収法、冷却法、吸着法、燃焼法などがある（例えば特許文献１参照）。また、それらの処理によって精製した後のガスを回収して再利用する場合もある。また、廃棄ガスの処理設備については、省スペースで且つ、導入費用および稼動費用の安価な方法が求められている。【０００３】
一方、水素やヘリウムを工業用ガスとして利用する場合、用途によっては、高純度のガスを得るために、精製工程を追加する必要がある。例えば、燃料電池車用の水素の場合、ＩＳＯ１４６８７−２（ＦＣＶ用水素燃料規格，２０１２，ＧｒａｄｅＤ）によれば水素以外の成分の許容濃度として、総炭化水素であれば２ｖｏｌｐｐｍ以下（メタン換算）にする必要がある。この場合においても、省スペースで且つ、安価な方法が求められている。吸収法による炭化水素の除去では、拡散ガス中の炭化水素濃度を１ｖｏｌ％以下にすることは困難であり、未だに実現されていない。冷却法においても、蒸気圧分の不純物が気相側に残留するため、揮発性芳香族化合物の場合は数ｐｐｍオーダーまで精製することは困難である。燃焼法においては、酸素などを混合する必要があり、燃焼後に水や二酸化炭素などが生じることから、高純度のガスを得るのには適していない。【０００４】
以上のような理由から、高純度の水素やヘリウムを得る方法としては、吸着法が主に用いられている。例えば、ガスに含まれる揮発性芳香族化合物を除去するため、合成ゼオライトや疎水性シリカゲルを使用する圧力変動吸着法が採用される。しかしながら、この方法でも脱着に真空装置を用いることや、シリカリッチのゼオライトやシリカゲルの中でも疎水性のものを使用することから、コスト面で課題があった（例えば特許文献１参照）。【０００５】
また、揮発性芳香族化合物を含む廃棄ガスを圧力変動吸着法を用いて処理し、炭化水素濃度を低減する方法もある。圧力変動吸着法で吸着剤の再生が可能であれば、加熱や冷却は不要となる。しかしながらこの方法においては、脱着時に真空装置が必要であり、さらに吸着剤をあらかじめプレコートすることも必要であり、コスト面や操作の煩雑さの面で課題があった（例えば特許文献２，３参照）。【０００６】
不純物として、揮発性芳香族化合物を含むガスを精製する場合、吸着剤として活性炭を使用する方法が、従来から採用されてきた。活性炭の細孔内に入り込んだ揮発性芳香族化合物は、容易には脱着されない。このため、脱着に加熱手段を用いる方法が採用されており、温度変動吸着法やスチームの使用により脱着を促している。加熱手段を用いる場合、加熱や冷却に伴う付帯設備を要し、伝熱に時間がかかるなど操作性の面でも課題が多い。【０００７】
また、真空再生法を用いた方法では、真空再生のためのコストがかかる。また、パージガス（精製された高純度の製品ガス）を用いた方法では、パージガスを使用する分、コストアップに繋がる。さらに、加熱による再生についても、同じく加熱に必要なエネルギー分コストアップに繋がる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開平９−４７６３５号公報
【特許文献２】特開平１１−７１５８４号公報
【特許文献３】特開２００４−４２０１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本発明は、このような事情の下で考え出されたものであって、圧力変動吸着法を利用して、不純物として揮発性芳香族化合物を含む原料ガスから、コストを削減しつつ、高純度な水素またはヘリウムを得るのに適した方法および装置を提供することを課題としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明の第１の側面によれば、吸着剤が充填された３塔以上の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着法のサイクルを各吸着塔について繰り返すことにより、不純物として揮発性芳香族化合物を含み、且つ主成分として水素またはヘリウムを含む原料ガスから水素またはヘリウムを精製するための方法が提供される。前記サイクルは、吸着剤が充填された３塔以上の吸着塔を用いて行う圧力変動吸着法により、上記吸着塔が所定の高圧である状態にて、上記吸着塔に上記原料ガスを導入して当該原料ガス中の上記揮発性芳香族化合物を上記吸着剤に吸着させ、当該吸着塔から水素またはヘリウムの濃度が高い製品ガスを排出する吸着工程と、上記吸着工程を終えた上記吸着塔から塔内に残留するガスを排出して塔内の圧力を低下させる減圧工程と、上記減圧工程を終えた上記吸着塔における上記吸着剤から上記揮発性芳香族化合物を脱着させ、塔内ガスを排出する脱着工程と、上記減圧工程にある他の吸着塔から排出されたガスを上記脱着工程を終えた上記吸着塔に導入して塔内に残留するガスを排出する洗浄工程と、を含む。上記各吸着塔は、上記吸着塔における上記原料ガスの流れ方向において上流側から下流側に向けて順に第１領域、第２領域および第３領域に区分されている。上記第１領域には、充填比率が１５〜７５ｖｏｌ％の範囲であるシリカゲル系の第１吸着剤が充填されている。上記第２領域には、充填比率が１５〜７５ｖｏｌ％の範囲であるゼオライト系の第２吸着剤が充填されている。上記第３領域には、充填比率が５〜３０ｖｏｌ％の範囲である活性炭系の第３吸着剤が充填されている。【００１１】
好ましくは、上記第１吸着剤は、親水性シリカゲルよりなる。【００１２】
本発明の第２の側面によれば、不純物として揮発性芳香族化合物を含み、且つ主成分として水素またはヘリウムを含む原料ガスから水素またはヘリウムを精製するための装置が提供される。当該装置は、各々が第１ガス通過口および第２ガス通過口を有し、当該第１および第２ガス通過口の間において吸着剤が充填された３塔以上の吸着塔と、製品ガスを貯留するための貯留タンクと、上記吸着塔の上記第１ガス通過口から排出されるガスを気相成分と液相成分とに分離する気液分離手段と、原料ガス供給源に接続された主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第１ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が各々に設けられた複数の分枝路、を有する第１ラインと、上記気液分離手段が設けられた主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第１ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が各々に設けられた複数の分枝路、を有する第２ラインと、上記貯留タンクが設けられた主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第２ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が各々に設けられた複数の分枝路、を有する第３ラインと、上記第３ラインにおける上記主幹路に接続された主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第２ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が各々に設けられた複数の分枝路、を有する第４ラインと、上記第４ラインにおける上記主幹路に接続された主幹路、および、上記吸着塔ごとに設けられて当該吸着塔の上記第２ガス通過口側に接続され且つ開閉弁が各々に設けられた複数の分枝路、を有する第５ラインと、を備えている。上記各吸着塔は、上記吸着塔における上記第１ガス通過口から上記第２ガス通過口に向けて順に第１領域、第２領域および第３領域に区分されている。上記第１領域には、充填比率が１５〜７５ｖｏｌ％の範囲であるシリカゲル系の第１吸着剤が充填されている。上記第２領域には、充填比率が１５〜７５ｖｏｌ％の範囲であるゼオライト系の第２吸着剤が充填されている。上記第３領域には、充填比率が５〜３０ｖｏｌ％の範囲である活性炭系の第３吸着剤が充填されている。【００１３】
好ましくは、上記第１吸着剤は、親水性シリカゲルよりなる。【００１４】
本発明者らは、圧力変動吸着法により不純物として揮発性芳香族化合物を含む原料ガスから水素またはヘリウムを分離する方法について鋭意検討したところ、揮発性芳香族化合物を吸着する吸着剤であるシリカゲルの後段に、揮発性芳香族化合物を吸着させない吸着剤であるゼオライトおよび活性炭を充填し、吸着工程終了後において、当該ゼオライトおよび活性炭の層にある比較的清浄なガスを用いて、脱着工程終了後の吸着塔を洗浄することで、脱着時に真空装置や加熱装置を用いることなく、精製後の高純度の製品ガスを得ることができることを見出し、本発明を完成させるに至った。【００１５】
本発明によれば、水素またはヘリウムに不純物として含まれる揮発性芳香族化合物の含有率を、１ｖｏｌｐｐｍ以下まで安価に、且つ省スペースな装置で精製することができる。【００１６】
本発明のその他の特徴および利点は、添付図面を参照して以下に行う詳細な説明によって、より明らかとなろう。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明の実施形態に係る水素の精製方法を実施するために使用する精製装置の概略構成を表す。
【図２】本発明の実施形態に係る水素の精製方法の各ステップにおけるガスの流れ状態を表す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の好ましい実施の形態について、図面を参照して具体的に説明する。
【００１９】
図１は、本発明に係る水素またはヘリウムの精製方法を実施するために使用することができる精製装置Ｘの概略構成を示している。精製装置Ｘは、３塔の吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃと、原料ガス供給源２１と、製品貯留タンク２２と、オフガスタンク２３と、冷却器２４と、気液分離器２５と、ライン３１〜３５と、を備えている。精製装置Ｘは、水素またはヘリウムを含む原料ガス（粗水素または粗ヘリウム）から圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を利用して水素またはヘリウムを濃縮分離することが可能なように構成されている。原料ガスの例としては、有機ハイドライドを由来として生成された水素を主成分とし、不純物として例えば揮発性芳香族化合物（例えばトルエン、ベンゼン、メチルシクロヘキサン等）を含むガスをあげることができる。以下の説明は、原料ガスの主成分が水素である場合について行うが、本発明はこれに限定されず、原料ガスの主成分がヘリウムである場合にも適用可能である。
【００２０】
吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各々は、両端にガス通過口１１，１２を有し、ガス通過口１１，１２の間において、吸着剤が充填されている。具体的には、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各々の内部には、例えば多孔板（図示略）によって区画された複数（３つ）の領域が形成されており、これら領域にそれぞれ異なる吸着剤が充填される。本実施形態においては、各吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃにおける原料ガスの流れ方向において、上流側（ガス通過口１１）から下流側（ガス通過口１２）に向けて第１吸着剤１３１、第２吸着剤１３２、および第３吸着剤１３３が順に積層されている。
【００２１】
第１吸着剤１３１としては、揮発性芳香族化合物を優先的に吸着する性質を有する吸着剤が用いられる。そのような吸着剤としては、例えばシリカゲル系の吸着剤（親水性シリカゲル、疎水性シリカゲル等）が挙げられ、中でも親水性シリカゲル、とりわけシリカゲルＢ型が好ましい。第２および第３吸着剤１３２，１３３については、揮発性芳香族化合物の吸着能が相対的に低い吸着剤が用いられる。第２吸着剤１３２としては、ゼオライト系の吸着剤（Ａ型ゼオライト、ＣａＡ型ゼオライト、Ｙ型ゼオライト等）が挙げられ、中でもＣａＡ型ゼオライトが好ましい。第３吸着剤１３３としては、例えば椰子殻系や石炭系など活性炭系のものが挙げられる。これらの吸着剤は、一般的に市販され、容易に入手できるものであり、前処理も必要としない。なお、シリカゲル（またはシリカ）は表面に水酸基を有するため元来親水性であり、高温加熱またはアルキルシリル化剤との反応などの疎水化処理を行うことにより疎水性となる。従来はこの疎水化処理がコストアップの原因となっていた。
【００２２】
また、第１ないし第３吸着剤１３１，１３２，１３３は、吸着剤の充填容量全体に対して所定の充填比率（体積割合）となるように調整されている。具体的には、第１吸着剤１３１の充填比率が１５〜７５ｖｏｌ％、好ましくは１５〜６５ｖｏｌ％の範囲とされ、第２吸着剤１３２の充填比率が１５〜７５ｖｏｌ％、好ましくは２５〜７５ｖｏｌ％の範囲とされ、第３吸着剤１３３の充填比率が５〜３０ｖｏｌ％、好ましくは５〜２０ｖｏｌ％の範囲とされている。第１ないし第３吸着剤１３１，１３２，１３３のそれぞれの充填比率の合計は１００ｖｏｌ％である。
【００２３】
原料ガス供給源２１は、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ内に供給する原料ガスを貯留するための圧力容器である。原料ガスに含まれる揮発性芳香族化合物の濃度は特に限定されないが、水素またはヘリウムの圧力と揮発性芳香族化合物の濃度によっては、配管内で揮発性芳香族化合物が液化するおそれがある。したがって、原料ガス供給源２１から吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに至るまでの配管（後述するライン３１の主幹路３１’）は加温したり、および／または、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ手前の主幹路３１’にミストトラップ等を設置したりすることが好ましい。原料ガス供給源２１から供給される原料ガスの圧力は特に限定しないが、高圧であるほど好ましく、必要に応じて主幹路３１’に圧縮機（図示略）を設置する。また、原料ガス供給源２１から供給される水素またはヘリウムに、不純物として水が含まれる場合には、ライン３１の主幹路３１’に水分除去装置（図示略）を設置することが好ましい。ＰＳＡ法による操作温度は特に限定されず、例えば１０〜４０℃程度とされる。ただし、上述のように揮発性芳香族化合物が液化しない程度の温度（常温程度以上）であることが好ましい。
【００２４】
製品貯留タンク２２は、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのガス通過口１２から排出されるガス（後述の製品ガス）を貯留するための圧力容器である。
【００２５】
オフガスタンク２３は、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのガス通過口１１から排出されるオフガスを貯留するための圧力容器である。
【００２６】
冷却器２４は、オフガスを冷却する。気液分離器２５は、冷却器２４を経たオフガスを所定の圧力下で凝縮して気相成分と液相成分とに分離する。「気液分離手段」なる用語には、上記冷却器２４および上記気液分離器２５が含まれる。
【００２７】
ライン３１は、原料ガス供給源２１が接続される主幹路３１’、および吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各ガス通過口１１側に各々が接続された分枝路３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃを有する。分枝路３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃには、開状態と閉状態との間で自動的に切替可能な弁（以下、このような機能を有する弁を「自動弁」と称す）３１ａ，３１ｂ，３１ｃが設けられている。
【００２８】
ライン３２は、冷却器２４および気液分離器２５が設けられた主幹路３２’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各ガス通過口１１側に各々が接続された分枝路３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃを有する。また、主幹路３２’には、冷却器２４よりも上流側にオフガスタンク２３が設けられている。主幹路３２’におけるオフガスタンク２３と冷却器２４との間には、圧力調節弁３２１が設けられている。分枝路３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃには、自動弁３２ａ，３２ｂ，３２ｃが設けられている。
【００２９】
ライン３３は、製品貯留タンク２２が設けられた主幹路３３’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各ガス通過口１２側に各々が接続された分枝路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃを有する。分枝路３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃには、自動弁３３ａ，３３ｂ，３３ｃが設けられている。主幹路３３’における製品貯留タンク２２の下流側には、圧力調節弁３３１が設けられている。
【００３０】
ライン３４は、ライン３３（主幹路３３’）を通流する製品ガスの一部を吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに供給するためのものであり、ライン３３の主幹路３３’に接続された主幹路３４’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各ガス通過口１２側に各々が接続された分枝路３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃを有する。主幹路３４’には、自動弁３４１および流量調整弁３４２が設けられている。分枝路３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃには、自動弁３４ａ，３４ｂ，３４ｃが設けられている。
【００３１】
ライン３５は、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのいずれか２つを互いに接続するためのものであり、ライン３４の主幹路３４’に接続された主幹路３５’、および、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各ガス通過口１２側に各々が接続された分枝路３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃを有する。主幹路３５’には、自動弁３５１および流量調整弁３５２が設けられている。分枝路３５Ａ，３５Ｂ，３５Ｃには、自動弁３５ａ，３５ｂ，３５ｃが設けられている。
【００３２】
以上のような構成を有する精製装置Ｘを使用して、本発明の実施形態に係る水素の精製方法を実施することができる。精製装置Ｘの稼働時において、自動弁３１ａ〜３１ｃ，３２ａ〜３２ｃ，３３ａ〜３３ｃ，３４ａ〜３４ｃ，３５ａ〜３５ｃ，３４１，３５１、および流量調整弁３４２，３５２を適宜切り替えることにより、装置内において所望のガスの流れ状態を実現し、以下のステップ１〜９からなる１サイクルを繰り返すことができる。本方法の１サイクルにおいては、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各々にて、吸着工程、減圧工程、均圧減圧、脱着工程、洗浄工程、均圧昇圧、および昇圧工程が行われる。図２ａ〜２ｉは、ステップ１〜９における精製装置Ｘでのガスの流れ状態を模式的に表したものである。なお、図２ａ〜２ｉにおいては、以下の略号を使用している。
ＡＳ：吸着工程
ＤＰ：減圧工程
ＤＳ：脱着工程
ＲＮ：洗浄工程
ＰＲ：昇圧工程
Ｅｑ−ＤＰ：均圧減圧工程
Ｅｑ−ＰＲ：均圧昇圧工程
【００３３】
ステップ１では、自動弁３１ａ，３３ａ，３２ｂ，３４ｂ，３５ｃ，３５１および流量調整弁３５２が開かれ、図２ａに示すようなガスの流れ状態が達成される。
【００３４】
吸着塔１０Ａにおいては、原料ガスがライン３１を介してガス通過口１１から導入されて、吸着工程が行われる。吸着工程にある吸着塔１０Ａ内は所定の高圧状態に維持されており、原料ガス中の主に揮発性芳香族化合物が吸着塔１０Ａ内の吸着剤に吸着される。そして、吸着塔１０Ａのガス通過口１２側から水素が濃縮されたガス（製品ガス）が排出される。当該製品ガスは、分枝路３３Ａおよび主幹路３３’を介して製品貯留タンク２２に送出される。なお、製品貯留タンク２２内の製品ガスは、圧力調節弁３３１を介して適宜、系外に取り出されれて、所望の用途に利用される。
【００３５】
ここで、吸着塔１０Ａに導入される原料ガスにおける揮発性芳香族化合物の濃度について、特に制限はないが、例えば１００ｖｏｌｐｐｍ〜１ｖｏｌ％程度とされる。吸着工程にある吸着塔１０Ａの内部の最高圧力（吸着圧力）は、例えば０．１〜１．０ＭＰａＧ（Ｇはゲージ圧であることを表し、以下も同じである）であり、好ましくは０．５〜０．８ＭＰａＧである。
【００３６】
また、ステップ１では、吸着塔１０Ｂ，１０Ｃそれぞれのガス通過口１２がライン３４，３５を介して連通している。吸着塔１０Ｂについては先に脱着工程を行っており、吸着塔１０Ｃについては先に吸着工程を行っていたから（図２ｉに示されるステップ９参照）、ステップ１の開始時には、吸着塔１０Ｃが吸着塔１０Ｂよりも塔内の圧力が高い状態にある。そして、ステップ１の開始後において、吸着塔１０Ｃでは減圧工程が行われ、吸着塔１０Ｃの塔内に残留している不純物濃度の低いガス（残留濃縮水素ガス）がガス通過口１２から排出し、塔内圧力が低下する。ステップ１の開始時と終了時における吸着塔１０Ｃの塔内圧力の差は、例えば３００ｋＰａ程度である。一方、吸着塔１０Ｂでは洗浄工程が行われ、吸着塔１０Ｃから排出された残留濃縮水素ガスが、ライン３５、流量調整弁３５２およびライン３４を介して洗浄ガスとしてガス通過口１２から導入され、且つ塔内に残留するガスを排出する。ここで吸着塔１０Ｂから排出されるガスは、揮発性芳香族化合物の濃度の高いガスであり、当該ガスはオフガスとしてライン３２を介してオフガスタンク２３へ送られる。ステップ１の終了時において、吸着塔１０Ｃの塔内圧力が吸着塔１０Ｂの塔内圧力よりも高い。ステップ１の操作時間は、例えば７５秒程度とされる。
【００３７】
ステップ２では、自動弁３１ａ，３３ａ，３４ｂ，３５ｃ，３５１および流量調整弁３５２が開かれ、図２ｂに示すようなガスの流れ状態が達成される。
【００３８】
ステップ２では、吸着塔１０Ａにおいて引き続き吸着工程が行われる。また、ステップ２においても、吸着塔１０Ｂ，１０Ｃそれぞれのガス通過口１２，１２がライン３４，３５を介して連通している。一方、吸着塔１０Ｂについては自動弁３２ｂが閉じている。そして、ステップ２の開始時において、吸着塔１０Ｃの塔内の方が吸着塔１０Ｂの塔内よりも依然として高圧となっている。そのため、吸着塔１０Ｃでは均圧減圧が行われ、吸着塔１０Ｂでは均圧昇圧が行われる。より具体的には、吸着塔１０Ｃの塔内ガスがライン３５，３４を介して吸着塔１０Ｂに導入され、吸着塔１０Ｃの塔内が減圧されるとともに、吸着塔１０Ｂの塔内が昇圧される。この結果、吸着塔１０Ｂ，１０Ｃにおいては、内部圧力が実質的に等しくなる。ステップ２の操作時間は、例えば１５秒程度とされる。
【００３９】
ステップ３では、自動弁３１ａ，３３ａ，３４ｂ，３２ｃ，３４１および流量調整弁３４２が開かれ、図２ｃに示すようなガスの流れ状態が達成される。
【００４０】
ステップ３では、吸着塔１０Ａにおいて引き続き吸着工程が行われる。さらに、ステップ３では、吸着塔１０Ｂ，１０Ｃの連通を遮断する一方、吸着塔１０Ａのガス通過口１２から排出された製品ガスの一部をライン３４および流量調整弁３４２を介して吸着塔１０Ｂに導入させ、吸着塔１０Ｂの昇圧工程が行われる。
【００４１】
また、ステップ３では、吸着塔１０Ｃについては、自動弁３２ｃが開かれることでライン３２を介してオフガスタンク２３と連通している。これにより、吸着塔１０Ｃでは脱着工程が行われ、吸着塔１０Ｃの塔内が減圧されて吸着剤から不純物（主に揮発性芳香族化合物）が脱着され、塔内のガス（揮発性芳香族化合物の濃度が高いガス）がガス通過口１１を通じてオフガスとして塔外へ排出される。脱着工程にある吸着塔１０Ｃの内部の最低圧力（脱着圧力）は、例えば０〜５０ｋＰａＧであり、好ましくは０〜２０ｋＰａＧである。吸着塔１０Ｃから排出されたオフガスは、ライン３２を介してオフガスタンク２３へ送られる。オフガスタンク２３内のガスは、圧力調節弁３２１を介して適宜、冷却器２４に送られ、さらに気液分離器２５を通過することで揮発性芳香族化合物は液化され、液相として回収することができる。ステップ３での操作時間は、例えば１３５秒程度とされる。上記のステップ１〜３は、ステップ１〜９により構成されるサイクルの１／３に相当し、これらステップ１〜３の工程時間は、合計２２５秒程度である。
【００４２】
以降のステップ４〜６では、図２ｄ〜２ｆに示したように、ステップ１〜３において吸着塔１０Ａについて行った操作を吸着塔１０Ｂについて行い、ステップ１〜３において吸着塔１０Ｂについて行った操作を吸着塔１０Ｃについて行い、ステップ１〜３において吸着塔１０Ｃについて行った操作を吸着塔１０Ａについて行う。
【００４３】
ステップ４では、自動弁３１ｂ，３３ｂ，３２ｃ，３４ｃ，３５ａ，３５１および流量調整弁３５２が開かれ、図２ｄに示すようなガスの流れ状態が達成される。ステップ５では、自動弁３１ｂ，３３ｂ，３４ｃ，３５ａ，３５１および流量調整弁３５２が開かれ、図２ｅに示すようなガスの流れ状態が達成される。ステップ６では、自動弁３１ｂ，３３ｂ，３４ｃ，３２ａ，３４１および流量調整弁３４２が開かれ、図２ｆに示すようなガスの流れ状態が達成される。詳細な説明は省略するが、ステップ４，５，６では、吸着塔１０Ａは、ステップ１，２，３における吸着塔１０Ｃと同じ操作を順次遂行し、吸着塔１０Ｂは、ステップ１，２，３における吸着塔１０Ａと同じ操作を順次遂行し、吸着塔１０Ｃは、ステップ１，２，３における吸着塔１０Ｂと同じ操作を順次遂行する。
【００４４】
以降のステップ７〜９では、図２ｇ〜２ｉに示したように、ステップ１〜３において吸着塔１０Ａについて行った操作を吸着塔１０Ｃについて行い、ステップ１〜３において吸着塔１０Ｂについて行った操作を吸着塔１０Ａについて行い、ステップ１〜３において吸着塔１０Ｃについて行った操作を吸着塔１０Ｂについて行う。
【００４５】
ステップ７では、自動弁３１ｃ，３３ｃ，３２ａ，３４ａ，３５ｂ，３５１および流量調整弁３５２が開かれ、図２ｇに示すようなガスの流れ状態が達成される。ステップ８では、自動弁３１ｃ，３３ｃ，３４ａ，３５ｂ，３５１および流量調整弁３５２が開かれ、図２ｈに示すようなガスの流れ状態が達成される。ステップ９では、自動弁３１ｃ，３３ｃ，３４ａ，３２ｂ，３４１および流量調整弁３４２が開かれ、図２ｉに示すようなガスの流れ状態が達成される。詳細な説明は省略するが、ステップ７，８，９では、吸着塔１０Ａは、ステップ１，２，３における吸着塔１０Ｂと同じ操作を順次遂行し、吸着塔１０Ｂは、ステップ１，２，３における吸着塔１０Ｃと同じ操作を順次遂行し、吸着塔１０Ｃは、ステップ１，２，３における吸着塔１０Ａと同じ操作を順次遂行する。
【００４６】
そして、以上のステップ１〜９からなるサイクルが吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各々において繰り返し行われることにより、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃのいずれかに原料ガスが連続的に導入され、且つ、濃縮水素ガス（製品ガス）が連続的に取得される。
【００４７】
本実施形態の水素の精製方法において、吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃの各々において実施されるＰＳＡ法による１サイクルについて、吸着工程の後、塔内の残留ガスを脱着工程後の他の吸着塔に導入して、洗浄工程を行う。吸着工程終了後の吸着塔内のガスは不純物濃度の低いガス（残留濃縮水素ガス）であり、当該ガスを用いて脱着工程後の吸着塔を効率よく洗浄することができる。また、製品ガスを洗浄のために用いないので、水素の回収率低下を抑制することができる。
【００４８】
各吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃに充填される吸着剤については、原料ガスの流れ方向において最も上流側に、第１吸着剤１３１としてのシリカゲル系吸着剤が充填されている。シリカゲル系吸着剤は、０．１〜１．０ＭＰａＧ（＝１００〜１０００ｋＰａＧ）の高圧での不純物（揮発性芳香族化合物）の吸着能に優れ、大気圧以上である０〜５０ｋＰａＧでの最低圧力（脱着工程）でも揮発性芳香族化合物が脱着し再生可能である。この第１吸着剤１３１が吸着剤充填容量全体の１５〜７５ｖｏｌ％使用されている。この結果、揮発性芳香族化合物を効率よく吸着除去することができ、また真空設備が不要であるので、コスト削減を図ることができる。また、第１吸着剤１３１として親水性シリカゲルを用いれば、前処理を行うことなく揮発性芳香族化合物を適切に吸着除去することができ、コスト削減に資する。
【００４９】
なお、第１吸着剤１３１の充填比率が１５ｖｏｌ％未満であると、揮発性芳香族化合物が十分に除去できなくおそれがある。その一方、第１吸着剤１３１の充填比率が７５ｖｏｌ％を超えると、第２吸着剤１３２および第３吸着剤１３３において残留する洗浄ガスの割合が低下し、洗浄ガス量が減少して洗浄工程における洗浄が不十分となるおそれがある。
【００５０】
第１吸着剤１３１の後段（下流側）に積層された、第２吸着剤１３２（ゼオライト系吸着剤）および第３吸着剤１３３（活性炭系吸着剤）においては、揮発性芳香族化合物を吸着させない。即ち、吸着工程は第１吸着剤１３１が揮発性芳香族化合物で飽和する前に終了しており、第２吸着剤１３２および第３吸着剤１３３は、揮発性芳香族化合物を実質的に吸着しない。その一方、第２吸着剤１３２および第３吸着剤１３３は、第１吸着剤１３１と比べると、より多くの水素を吸着する。これにより、吸着工程終了して減圧工程にある吸着塔から排出されて、脱着工程終了して洗浄工程にある他の吸着塔の洗浄に使用される洗浄ガスは、減圧工程開始時に塔内に残留する濃縮水素ガス（主にガス通過口１２から近い、第２吸着剤１３２および第３吸着剤１３３の充填領域にあるガス）の他に、第２吸着剤１３２および第３吸着剤１３３から脱着する水素が加わる。その結果、水素含有量が高められた洗浄ガスを用いて脱着工程終了後の吸着塔を効果的に洗浄することができる。
【００５１】
以上、本発明の具体的な実施形態を説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、発明の思想から逸脱しない範囲内で種々の変更が可能である。例えば、本発明に係る水素またはヘリウムの精製方法を実施する装置におけるガス流路をなすライン（配管）の構成については、上記実施形態とは異なる構成を採用してもよい。吸着塔の数については上記実施形態で示した３塔式だけに限定されるものではなく、４塔以上の場合でも同様の効果が期待できる。
【００５２】
また、上記実施形態では、水素を精製する場合について説明したが、本発明に係る精製方法で用いる吸着剤（第１吸着剤、第２吸着剤、および第３吸着剤）に対するヘリウムの吸着能が水素と略同じである。したがって、主成分であるヘリウムと不純物としての揮発性芳香族化合物とを含む原料ガスからヘリウムを濃縮精製する場合においても、上記実施形態と同様の作用効果を奏する。
【実施例】
【００５３】
次に、本発明の有用性を実施例および比較例により説明する。【００５４】
〔実施例１〕
本実施例では、図１に示した精製装置Ｘを用いて、図２を参照して説明した各ステップからなる圧力変動吸着法（ＰＳＡ法）を利用した精製方法により、以下に示す条件下で、原料ガスから製品ガスとしての濃縮水素ガスを取得した。【００５５】
吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃとしては、内径が３５ｍｍの円筒状のものを用い、吸着剤充填容量が約１Ｌ（リットル）とされた。各吸着塔１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃには、ガス通過口１１からガス通過口１２に向けて、第１吸着剤１３１としてのシリカゲルＢ型（富士シリシア化学社製フジシリカゲルＢ型）、第２吸着剤１３２としてのＣａＡ型ゼオライト（ユニオン昭和社製５ＡＨＰ）、および第３吸着剤１３３としての活性炭（キャタラー社製ＰＧＡＲ）を、積層充填した。これら吸着剤の充填比率（体積割合）は、第１吸着剤１３１が３０ｖｏｌ％、第２吸着剤１３２が６０ｖｏｌ％、第３吸着剤１３３が１０ｖｏｌ％とした。原料ガスについては、不純物としてのトルエンを８５００ｖｏｌｐｐｍ含有する粗水素ガスが用いられ、当該原料ガスを５．２ＮＬ／ｍｉｎの流量で供給した。ＰＳＡ法による操作条件は、吸着塔等の温度が４０℃、吸着圧力が０．８ＭＰａＧ、脱着圧力が２０ｋＰａＧ、洗浄圧力差が３００ｋＰａ、サイクルタイム（ステップ１〜９より構成される１サイクルの時間）が６７５秒とした。また、得られた濃縮水素ガス（製品ガス）における不純物濃度を水素炎イオン検出器（ＦＩＤ）で測定したところ、製品ガス中のトルエン濃度は定量下限以下（０．１ｖｏｌｐｐｍ以下）であり、水素ガス回収率は７５％であった。本実施例の結果を表１に示した。【００５６】
〔実施例２〕
吸着剤の充填比率を、第１吸着剤１３１が４０ｖｏｌ％、第２吸着剤１３２が５０ｖｏｌ％、第３吸着剤１３３が１０ｖｏｌ％とした以外は、実施例１と同様にして、原料ガスから水素の精製を行った。また、得られた濃縮水素ガス（製品ガス）における不純物濃度を水素炎イオン検出器（ＦＩＤ）で測定したところ、製品ガス中のトルエン濃度は定量下限以下（０．１ｖｏｌｐｐｍ以下）であり、水素ガス回収率は７０％であった。本実施例の結果を表１に示した。【００５７】
〔実施例３〕
吸着剤の充填比率を、第１吸着剤１３１が２０ｖｏｌ％、第２吸着剤１３２が７０ｖｏｌ％、第３吸着剤１３３が１０ｖｏｌ％とした以外は、実施例１と同様にして、原料ガスから水素の精製を行った。また、得られた濃縮水素ガス（製品ガス）における不純物濃度を水素炎イオン検出器（ＦＩＤ）で測定したところ、製品ガス中のトルエン濃度は定量下限以下（０．１ｖｏｌｐｐｍ以下）であり、水素ガス回収率は８０％であった。本実施例の結果を表１に示した。【００５８】
〔実施例４〕
吸着剤の充填比率を、第１吸着剤１３１が７０ｖｏｌ％、第２吸着剤１３２が２０ｖｏｌ％、第３吸着剤１３３が１０ｖｏｌ％とした以外は、実施例１と同様にして、原料ガスから水素の精製を行った。また、得られた濃縮水素ガス（製品ガス）における不純物濃度を水素炎イオン検出器（ＦＩＤ）で測定したところ、製品ガス中のトルエン濃度は０．６７ｖｏｌｐｐｍであり、水素ガス回収率は９２％であった。本実施例の結果を表１に示した。【００５９】
〔実施例５〕
吸着剤の充填比率を、第１吸着剤１３１が３０ｖｏｌ％、第２吸着剤１３２が４０ｖｏｌ％、第３吸着剤１３３が３０ｖｏｌ％とした以外は、実施例１と同様にして、原料ガスから水素の精製を行った。また、得られた濃縮水素ガス（製品ガス）における不純物濃度を水素炎イオン検出器（ＦＩＤ）で測定したところ、製品ガス中のトルエン濃度は０．４３ｖｏｌｐｐｍであり、水素ガス回収率は８５％であった。本実施例の結果を表１に示した。【００６０】
〔比較例１〕
吸着剤の充填比率を、第１吸着剤１３１が８０ｖｏｌ％、第２吸着剤１３２が１０ｖｏｌ％、第３吸着剤１３３が１０ｖｏｌ％とした以外は、実施例１と同様にして、原料ガスから水素の精製を行った。また、得られた濃縮水素ガス（製品ガス）における不純物濃度を水素炎イオン検出器（ＦＩＤ）で測定したところ、製品ガス中のトルエン濃度は２０００ｖｏｌｐｐｍであり、水素ガス回収率は９０％であった。本比較例の結果を表１に示した。【００６１】
〔比較例２〕
吸着剤の充填比率を、第１吸着剤１３１が１０ｖｏｌ％、第２吸着剤１３２が８０ｖｏｌ％、第３吸着剤１３３が１０ｖｏｌ％とした以外は、実施例１と同様にして、原料ガスから水素の精製を行った。また、得られた濃縮水素ガス（製品ガス）における不純物濃度を水素炎イオン検出器（ＦＩＤ）で測定したところ、製品ガス中のトルエン濃度は３０００ｖｏｌｐｐｍであり、水素ガス回収率は７５％であった。本比較例の結果を表１に示した。【００６２】
〔比較例３〕
吸着剤の充填比率を、第１吸着剤１３１が３０ｖｏｌ％、第２吸着剤１３２が３０ｖｏｌ％、第３吸着剤１３３が４０ｖｏｌ％とした以外は、実施例１と同様にして、原料ガスから水素の精製を行った。その結果を表１に示した。また、得られた濃縮水素ガス（製品ガス）における不純物濃度を水素炎イオン検出器（ＦＩＤ）で測定したところ、製品ガス中のトルエン濃度は２ｖｏｌｐｐｍであり、水素ガス回収率は７５％であった。本比較例の結果を表１に示した。【００６３】
【表１】
2018055971.tif 000003
【００６４】
表１から明らかなように、上記各実施例によれば、水素ガスを高純度に精製できることが確認される。
【符号の説明】
【００６５】
Ｘ        精製装置
１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ    吸着塔
１１      ガス通過口（第１ガス通過口）
１２      ガス通過口（第２ガス通過口）
１３１    第１吸着剤
１３２    第２吸着剤
１３３    第３吸着剤
２１      原料ガス供給源
２２      製品貯留タンク
２３      オフガスタンク
２４      冷却器（気液分離手段）
２５      気液分離器（気液分離手段）
３１      ライン（第１ライン）
３２      ライン（第２ライン）
３３      ライン（第３ライン）
３４      ライン（第４ライン）
３５      ライン（第５ライン）
３１’，３２’，３３’，３４’，３５' 主幹路
３１Ａ〜３１Ｃ，３２Ａ〜３２Ｃ，３３Ａ〜３３Ｃ，３４Ａ〜３４Ｃ，３５Ａ〜３５Ｃ  
分枝路
３１ａ〜３１ｃ，３２ａ〜３２ｃ，３３ａ〜３３ｃ，３４ａ〜３４ｃ，３５ａ〜３５ｃ，３４１，３５１    自動弁
３２１，３３１    圧力調節弁
３４２，３５２    流量調整弁
【図１】
2018055971.tif 000004
【図２】
2018055971.tif 000005
【国際調査報告】
2018055971.tif 000006
2018055971.tif 000007
2018055971.tif 000008
2018055971.tif 000009